En Non-Switching Effektforsterker (Baldur)

Introduksjon

Inspirasjonen til denne forsterkeren kommer fra artikkelen A new Class-AB design i Electronics-World-1999-12. Utgangstrinnet følger designmåten i artikkelen, men inngangstrinnet er helt forskjellig. Jeg har kalt forsterkeren Baldur, etter den norrøne guden.

Prinsippskjema

Prinsippskjemaet er vist i figuren nedenfor. Forsterkeren forsynes med spenningene V+ og V-. Inngangstrinnet er en JFET med en sourcemotstand R6 og en konstantstrømkilde I3 i drain. Signalstrømmen I In mates til forspenningskontrollsløyfen som består av transistorene Q8, Q9, Q10 og Q15. Dette sørger for at forspenningen til effekttransistorene Q17 og Q18 styres av konstantstrømkilden I11. Driverne for effekttransistorene er Q15 og Q16. Vær oppmerksom på at effekttransistorene med deres drivere Q15 og Q16 opererer i felles emitter og ikke i felles kollektor som er vanlig for de fleste effektforsterkere. Dette har den ulempen at åpen sløyfe utgangsimpedansen er ganske høy, noe som gjør det nødvendig å ha en god del åpen sløyfe-forsterkning tilgjengelig for å få en rimelig lukket sløyfe utgangsimpedans. Tilbakekoplingen gjøres av R19. Jeg vil her ikke behandle kontrollsløyfen i detalj. For en mer detaljert analyse, se magasinartikkelen. En mer detaljert analyse av meg kan bli funnet her.

Motstandene R1 + R2 bestemmer inngangsimpedansen. R1 har en relativt lav verdi, mens verdien av R2 kan være ganske høy. Båndbreddebegrensningen på inngangen er hovedsakelig gitt av JFET-kapasitansene i kombinasjon med R1 (og utgangsimpedansen til det foregående trinnet).

JFET drainstrømmen er gitt av R6 og transistorens IDSS. Strømkilden til I3 har omtrent den samme drenstrømmen, siden strømtrekket fra de følgende trinnene normalt er ganske lav. Denne strømkilden er trimbar og kontrollerer utgangs offsetspenningen.

Transresistans (spenning til strøm)-forsterkningen i inngangstrinnet er tilnærmet gitt av:
A₁ = I_iN/V_iN = g_m/(1+g_mR₆)

Her er g_m transconduktansen til JFET'en ved hvilestrømmen. Typisk kan denne være omkring 5 mA med en transkonduktans på omtrent 30 mA/V. Strømforsterkningen til Darlingtonutgangen (Q15/Q17 og Q16/Q18) er meget høy, omtrent lik produktet mellom strømforsterkningen til driverne (β₁) og effekttransistorene (β₂). Forsterkningen fra Darlingtoninngangen til forsterkerutgangen (OUT) med en last RL er da:
A₂ =V_OUT/I_iN = β₁β₂R_L

Følgelig kan åpen sløyfe forsterkningen finnes å være lik:
A₀ = g_mβ₁β₂R_L/(1+g_mR₆)

Lukket sløyfe forsterkningen er tilnærmet lik:
A_V = 1 + R₁₉/R₆
Hvilestrømmen settes av kontantstrømskilden I11 med I_Ref. Fra teorien i min analyse, følger det at:
I_C15 = I_C16 = √β I_Ref
og:
I_C17= I_C18 = β₂ I_C15

Endelig skjema

Det endelige skjemaet for den realiserte forsterkeren, montert på et kretskort, er vist i figuren nedenfor. Det ses at konstantstrømkildene blir realisert av JFET'er. Offsetjusteringen gjøres av RV4 og hvilestrømmen settes av RV12. Komponentene R13 og C14 er også lagt til. R13 gir en åpen sløyfe båndbredde på ca 20 kHz mens C14 gjør forsterkeren stabil ned til en lukket sløyfe forsterkning på 10 ganger (20 dB).

Forsterkeren forsynes med spenningene VPOS og VNEG. Disse spenningene kan velges ut fra ønsket utgangseffekt.

Som et eksempel, for en 30 W i 8 ohm forsterker, er effektivverdien av spenningen lik:

V=√ P·R =√ 30·8 =15,5 V

Dette svarer til en spissverdi på:

V_p =15,5√ 2 =21,9 V

Med en forsyningsspenning på 25V er det mulig å få 30W ut av denne forsterkeren før klipping. For en last på R_L = 8 ohm svarer dette til en spiss-strømverdi lik:

I_p = V_p/R_L = 21,9/8 = 2.74 A

Dersom denne forsterkeren skulle operere i Klasse A, og siden utgangen opererer i Push-Pull, må hvilestrømmen til Q17/Q18 minst være lik:

I_C = I_p/2 =2.74/2 = 1,37 A

Imidlertid, siden dette er en non-switching forsterker, er det fristende å operere denne forsterkeren i Klasse A/B. Hvilestrømmen settes med konstantstrømkilden med I_Ref.

Det er også lagt til en ekstra transistor Q7. Dette medfører at:
I_C15 = I_C16 = I_Ref, I_C18= I_C19 = β₂I_Ref
Hvis du ønsker en forklaring, kan du gå til min analyse.

En teoretisk åpen sløyfe forsterkning A₀ kan beregnes til å være omtrent 1000 ganger (60 dB) forutsatt en JFET-transkonduktans på 30 mA/V, en last på 8 ohm og en strømforsterkning på 100 for driverne og krafttransistorene. Dette er i samsvar med den simulerte verdien. Lukket sløyfe forsterkning A_V er tilnærmet lik 10 ganger (20 dB).

Denne forsterkeren kan forsynes med spenninger fra ca +- 10 V opp til +- 40 V. Men forvrengningen øker selvsagt når utgangsspenningen til lasten øker, dvs. utgangseffekten øker. Forvrengningen er selvfølgelig lavere hvis forsterkeren har høy hvilestrøm.

Kretskort

Kretskortutlegget til forsterkeren er vist i figuren nedenfor. Dette har målene 100x52 mm. Komponentene i diagrammet ovenfor er alle plassert på samme kretskort. J1-J5 er kontaktene på kortet. Transistorene Q8, Q9, Q10, Q15 og Q16 deler samme "kjølefinne" laget av et aluminiumsstykke med dimensjonene BxHxD lik 40x20x10 mm. Effekttransistorene Q17 og Q18 må monteres på en stor kjølefinne, der termiske motstand avhenger av utgangseffekt og hvilestrøm. Motstanden R0 isolerer signaljord (GND) fra effektjord (EARTH). Motstandsverdien vil typisk ligge i området 4-10 ohm.

Med bruk av 3D i KiCad, ser kretskortet ut som i figuren nedenfor:

Normalt vil effekttransistorene Q17 og Q18 monteres horisontalt som vist i figuren.

Strømforsyning

Som et eksempel kan strømforsyningen bestå av blant annet en 2x18 V 300 VA transformator (T1), felles for begge kanaler, se figuren under. Separate likerettere (D1 og D2) kan brukes for positiv og negativ spenning. 47000 μF kondensatorer og 0,47 ohm effektmotstander for filtreringen kan anses som rimelige. En sikring (F1) på primærsiden er et krav. En effektbryter er vanligvis i serie med denne sikringen.

Oppbygging

Utgangene fra transformatoren føres til likeretterne og videre til CRC-filtreringen (vist ovenfor). Jord på phono-kontakten er koblet til skjermen på phono-kabelen, som igjen er koblet til forsterkerkortet, til punktet merket GND. Plussenden av phonokabelen er koblet til forsterkerkortet merket IN. Fra høyttalerutgangen føres plussledningen til forsterkerkortet til punktet merket OUT. Minusledningen er koblet til jord i strømforsyningen. Fra strømforsyningen lages de tre koblingene for strømforsyning til forsterkerkretskortene. Alle tilkoblinger bør være så korte som mulig. Hvis det skulle oppstå noen form for ustabilitet, støy eller brum, er det høyst sannsynlig at årsaken er dårlig ledningsføring (som fører til for eksempel jordsløyfer).

Det anbefales å bruke en variabel netttransformator når forsterkeren startes for første gang. Når spenningen øker, justeres offset ved hjelp av potensiometeret RV4. Hvilestrømmen settes med potensiometeret RV12. Hvis mulig bruk et oscilloskop for å se på utgangen, det skal ikke være annet enn støy her hvis alt er i orden. Når temperaturen øker, kan det være nødvendig å justere offset (og hvilestrømmen om nødvendig).

Bestykningsliste for én kanal er vist nedenfor. Forsterkeren egner seg godt for personlige tilpasninger. For eventuelle erstatninger, husk å ta hensyn til endrede fysiske dimensjoner og pinnekonfigurasjoner, spesielt for bruk av andre transistortyper ved montering på kretskortene.

Bestykning for ett kretskort

Det er brukt metallfilmmotstander med 1 % toleranse. Andre typer er selvfølgelig også mulig så lenge de passer i kretskortet.

R0 10 ohm
R1 1 kohm
R2 100 kohm
R6 47 ohm
R13 330 kohm
R19 470 ohm
RV4 100 ohm Potensiometer Bourns 3296W
RV12 200 ohm Potensiometer Bourns 3296W
C14 100 pF NP0/C0G P 5,0mm
C20, C21 10u Radiell Film L18,0mm W9,0mm P15,0mm
Q7, Q9, Q10, Q15 KSA1381 TO-126
Q8, Q16 KSC3503 TO-126
Q17 2SA1943 TO-247
Q18 2SC5200 TO-247
J1 Skruterminal 01x02
J2-J5 Loddeterminaler
HS1 Kjølefinne

Please notice:
This project description is for non-commercial use, only. Using this document on a site and charging a fee for download is vialation of non-commercial use and prone to demand for payment. So, for commercial use, contact me for agreement of terms. This page, however, can be downloaded for own use, and linked to, not violating term of non-commercial use.

Hjem